[論文レビュー] Carbon and oxygen isotopic ratios in Arcturus and Aldebaran: Constraining the parameters for non convective mixing on the RGB

C. Abia, S. Palmerini+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 3, 2012

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 67被引用数 28

ひとこと要約

本研究は、赤色巨星分枝における非対流混合を制約するために、アーチュルスおよびアルデバランの炭素および酸素同位体比を高分解能赤外分光法を用いて再分析した。観測された同位体組成は、最初の攪乱上昇による予測を上回っており、遅い拡散的過程を排除し、磁気浮上や中程度速度の循環といったメカニズムを支持する、速い非拡散的混合を必要としていることが判明した。

ABSTRACT

We re-analysed the carbon and oxygen isotopic ratios in the atmospheres of the two bright K giants Arcturus and Aldebaran. Previous determinations of their 16O/18O ratios showed a rough agreement with FDU expectations; however, the estimated 16O/17O and 12C/13C ratios were lower than in the canonical predictions. These anomalies are interpreted as signs of the occurrence of non-convective mixing episodes. We re-investigated this issue in order to verify whether the observed data can be reproduced in this hypothesis and if the well determined properties of the two stars can help us in fixing the uncertain parameters characterizing non-convective mixing and its physical nature. We used high-resolution infrared spectra to derive the 12C/13C and 16O/17O/18O ratios from CO molecular lines near 5 mu. We also reconsidered the determination of the stellar parameters to build the proper atmospheric and evolutionary models. We found that both the C and the O isotopic ratios for the two stars considered actually disagree with pure FDU predictions. This reinforces the idea that non-convective transport episodes occurred in them. By reproducing the observed elemental and isotopic abundances with the help of parametric models of nucleosynthesis and mass circulation, we derived constraints on the properties of non convective mixing. We find that very slow mixing is incapable of explaining the observed data, which require a fast transport. Circulation mechanisms with speeds intermediate between those typical of diffusive and of convective mixing should be at play. We however conclude with a word of caution on the conclusions possible at this stage, as the parameters for the mass transport are rather sensitive to the stellar mass and initial composition.

研究の動機と目的

• 更新された高分解能赤外分光法を用いて、アーチュルスおよびアルデバランの炭素および酸素同位体比を再評価すること。
• これらのK型巨星における観測された同位体異常が、標準的な最初の攪乱上昇を超える非対流混合過程によって説明可能かどうかを検証すること。
• 良好に決定された星の物理的パラメータを用いて、非対流混合の物理的パラメータ（特に混合速度および効率）を制約すること。
• 拡散的、磁気的、熱塩分のメカニズム（例：拡散的、磁気浮上、熱塩分対流）などの異なる混合メカニズムが、観測された元素組成異常を説明できるかを評価すること。
• 2つのよく研究された巨星の精密な星のパラメータを活用して、混合パラメータの不確実性を低減すること。

提案手法

• 文献から入手した高分解能赤外分光法（約5 μm）を用い、LTE分光合成により12C/13Cおよび16O/17O/18O比を導出する。
• 太陽の赤外分光スペクトルのACE-FTSアトラスを用いて、更新された原子および分子ラインリストを構築する。
• 進化モデルと整合性を持つように、星の大気温度（Teff）、重力加速度対数（log g）、鉄過剰度（[Fe/H]）の星の大気パラメータを再評価する。
• 核融合生成および質量循環のカップルドモデルを用いて、同位体組成の進化を模擬する。
• モデル予測と観測された同位体比を比較し、必要な混合拡散係数（D_mix）を推定する。
• 予測されたD_mix値と観測的制約を比較することで、異なる混合メカニズム（例：拡散的、磁気浮上、熱塩分対流）の物理的妥当性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アーチュルスおよびアルデバランにおける観測された12C/13Cおよび16O/17O/18O比は、標準的な最初の攪乱上昇の予測からどの程度逸脱しているか？
• RQ2 これらの星における観測された同位体組成を再現するために必要な混合拡散係数（D_mix）はどの程度か？
• RQ3 純粋に拡散的混合過程が観測された同位体異常を説明できるのか、それともより速い輸送が必要か？
• RQ4 磁気浮上、熱塩分対流、回転対流といった物理的メカニズムのうち、推定された混合速度を生じさせられるのはどれか？
• RQ5 混合パラメータの推定値は、星の質量および初期組成の不確実性にどの程度感応するか？

主な発見

• アーチュルスおよびアルデバランにおける観測された12C/13Cおよび16O/17O/18O比は、標準的な最初の攪乱上昇の予測から顕著に逸脱しており、追加の混合過程が存在することを示している。
• 非常に遅い混合、例えば拡散的過程に起因するもの（D_mix ~ 10^(-2) cm²/s）では、観測された同位体比を説明することは不十分である。
• 必要な混合拡散係数（D_mix）は、数cm/sの数百分の1の輸送速度を示しており、拡散より速いが対流より遅いメカニズムを示している。
• 磁気浮上は、赤色巨星における大きな磁気領域を想定した場合、必要な混合速度を生じさせられる物理的メカニズムとして妥当であると特定された。
• 結果として、熱塩分拡散だけではデータを説明するのは不自然であると考えられ、特に3次元シミュレーションにおける不利なアスペクト比が要因である。
• 星の質量および初期組成の不確実性、特にアーチュルスに関しては、混合パラメータの制約を著しく向上させることができる。